Stirlingov ciklus

Izvor: Wikipedija
Prijeđi na navigaciju Prijeđi na pretraživanje

Stirlingov ciklus ili proces je termodinamički kružni ciklus po kojem rade Stirlingovi uređaji. Ciklus i uređaj koji radi po njemu su osmislili i patentirali braća Robert Stirling, svećenik, i James Stirling, inženjer, 1816. godine. Kako je riječ o termodinamičkom kružnom ciklusu, to znači da se ciklus vodi između dva toplinska spremnika različitih temperatura, tj. između ogrjevnog i rashladnog spremnika, a ukupna izmijenjena toplina između toplinskih spremnika jednaka je ukupnom izvršenom mehaničkom radu. Stirlingov ciklus može biti desnokretan ili lijevokretan; ako je desnokretan, mehanički rad se dobiva te uređaj radi kao motor, a ako je lijevokretan, mehanički rad se troši te uređaj radi kao rashladni uređaj ili dizalica topline. Specifičnost Stirlingovog ciklusa u odnosu na ostale kružne procese je taj što osim što je teoretski izveden kao zatvoren sustav, tako je izveden i u tehničkoj praksi; to znači da uređaji koji rade na principu Stirlingovog ciklusa nemaju usis i ispuh i da je unutar sustava sadržana konstantna masa radne tvari. Ciklus se u osnovi sastoji od dvije izoterme i dvije izohore.

Teorijski Stirlingov ciklus[uredi VE | uredi]

Primjer motora koji radi na principu desnokretnog zatvorenog Stirlingovog ciklusa; u ovom slučaju Stirlingovog motora ß - tipa.
Teorijski desnokretni Stirlingov ciklus u p,v i T,s - dijagramu.

Teorijski Stirlingov ciklus razmotrit će se kao desnokretni zatvoreni ciklus; ciklus se sastoji od četiri promjene stanja:

  • 1-2: izotermna kompresija - rashladni spremnik odvodi toplinu radnom mediju zbog čega se radnom mediju smanjuje volumen
  • 2-3: izohorno dovođenje topline - stlačeni radni medij prolazi kroz regenerator koji ga grije dovodeći mu toplinu pri konstantnom volumenu
  • 3-4: izotermna ekspanzija - ogrjevni spremnik dovodi toplinu radnom mediju povećavajući mu volumen
  • 4-1: izohorno odvođenje topline - radni medij se vraća kroz regenerator predajući mu toplinu pri konstantnom volumenu.

Dok se na jednom dijelu cilindra izvode promjene stanja 2-3 i 3-4, na drugom dijelu cilindra se izvode promjene stanja 4-1 i 1-2 i obratno.

Energijska analiza Stirlingovog ciklusa[uredi VE | uredi]

Specifična toplina se dovodi pri promjenama stanja 2-3 i 3-4:



gdje je - specifična toplina, - specifični toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu, - termodinamička temperatura, - specifična entropija, - individualna plinska konstanta, - specifični volumen. Ukupno dovedena specifična toplina iznosi:

.


Specifična toplina se odvodi pri promjenama stanja 4-1 i 1-2:


.


Ukupno odvedena specifična toplina iznosi:

.


Kako je ukupno dobiveni specifični rad jednak ukupno izmijenjenoj specifičnoj toplini:

,


iz toga slijedi:


.


U gornjoj jednadžbi su zamijenjena mjesta temperaturama i te specifičnim volumenima i jer se predznakom - uz veličinu već naglasila činjenica da se radi o odvedenoj toplini. Kako se proces izvodi regenerativno, izohorno dovedena i izohorno odvedena specifična toplina su teorijski jednake, ali suprotnih predznaka tako da se one poništavaju. Još se može primijetiti da su i iz čega se zaključuje da su te iz tih spoznaja slijedi:



Gornja relacija predstavlja ukupno dobiveni specifični rad ciklusa, a ako ga se pomnoži s ukupnom masom radnog medija, tada se dobije ukupno dobiveni rad desnokretnog zatvorenog teorijskog Stirlingovog ciklusa. Snaga stroja koji bi radio na principu teorijskog Stirlingovog ciklusa glasi:


gdje je - ukupna masa radnog medija, a - broj okretaja stroja u sekundi.

Termički stupanj djelovanja Stirlingovog ciklusa[uredi VE | uredi]

Termički stupanj djelovanja Stirlingovog ciklusa se definira kao:

,


a kako je u teorijskom ciklusu regenerator idealan ( ), tada vrijedi:

.


Konačno,termički stupanj djelovanja teorijskog Stirlingovog ciklusa glasi:

.

[1] [2]

Usporedba s ostalim teorijskim kružnim ciklusima[uredi VE | uredi]

Teorijski Stirlingov ciklus s idealnim regeneratorom prema termičkom stupnju djelovanja potpuno je ekvivalentan termičkom stupnju djelovanja Carnotovog (najveći termički stupanj djelovanja) i Ericssonovog ciklusa (Ericssonov ciklus postiže Carnotov termički stupanj djelovanja samo uz idealni regenerator kao i Stirlingov ciklus), a veći od termičkog stupnja djelovanja Jouleovog, Dieselova i Ottova ciklusa. Prema dobivenom radu, najbolji ciklus je Ericssonov, a zatim slijede Stirlingov, Jouleov, Dieselov, Ottov te Carnotov ciklus.

[3]

Realni Stirlingov ciklus[uredi VE | uredi]

Realni desnokretni Stirlingov ciklus - utjecaj gibanja klipa na količinu dobivenog rada; lijevo: sinusoidno gibanje, desno: diskontinuirano gibanje.

Nijedan današnji stroj ne radi na principu teorijskog kružnog ciklusa pa tako ni na principu teorijskog Stirlingovog ciklusa; razlozi su sljedeći: loše brtvljenje, postojanje volumena štetnog prostora, trenje, regeneratori koji nisu idealni... Unatoč tomu, možemo približno opisati tok Stirlingovog ciklusa uzimajući u obzir određene nesavršenosti te se tako dobije realni Stirlingov ciklus.

Izvori[uredi VE | uredi]

Stirlingov motor [2]
Stirling cycle [3]
Stirling-Kreisprozess [4]

  1. Kolin, Ivo, Stirling motor, 1991., Zagreb University Publications, Ltd.
  2. Galović, Antun, Termodinamika I, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2008., ISBN 953-6313-44-8
  3. [1]Laboratorij za termoenergetiko



P physics.png Nedovršeni članak Stirlingov ciklus koji govori o fizici treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima Wikipedije.